- Введение
- Актуальность темы
- Цель и задачи исследования, планируемые результаты
- Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП)
- Показатели развития солнечной энергетики в мире
- Система электроснабжения с фотоэлектрическими преобразователями
- Принцип действия фотоэлектрических преобразователей
- Каскадные фотоэлектрические преобразователи
- Линзовые солнечные панели
- Лукутин б.в., обухов с.г. силовые преобразователи в электроснабжении: учебное пособие
- Выводы
Введение
«Силовая преобразовательная техника» – это дисциплина содержанием которой является разработка методов расчета электрических схем преобразователей, необходимых для проектирования преобразовательных устройств.
Преобразовательные устройства служат для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное, постоянного напряжения (тока) в переменное, переменного напряжения (тока) одной частоты в переменное напряжение (ток) другой частоты, низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение и т.д. В преобразовательных устройствах используются средства, осуществляющие фильтрацию и стабилизацию тока и напряжения. Основными характеристиками преобразовательных устройств являются:
– коэффициент полезного действия;
– коэффициент мощности;
– зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки и другие энергетические характеристики.
Преимущества полупроводниковых преобразовательных устройств по сравнению с другими преобразователями неоспоримы: они обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надежны в эксплуатации. Кроме преобразования и регулирования тока и напряжения такие установки обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.
Благодаря указанным преимуществам полупроводниковые преобразовательные устройства получают широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.
В настоящее время силовые полупроводниковые преобразовательные устройства широко используются в цветной металлургии и химической промышленности, на железнодорожном транспорте, для питания контактных сетей горнорудного и других видов промышленного транспорта, для электроприводов кранов и экскаваторов, возбуждения электрических машин, зарядки аккумуляторов, питания гальванических ванн, в сварочных аппаратах, для высоковольтных линий электропередачи постоянного тока и т.п.
Преобразовательная техника является одним из наиболее эффективных направлений электротехники. Широкое внедрение силовых полупроводниковых устройств в различные отрасли промышленности способствует дальнейшему техническому прогрессу.
Следует отметить, что некоторые виды преобразователей применяют в сочетании с другими, например преобразователи частоты и числа фаз; при этом изменяется еще и величина напряжения переменного тока.
В последнее время для анализа процессов в преобразовательных устройствах все шире обращаются к ЭВМ, что позволяет производить точный расчет и оптимизацию схем.
Совершенствование силовых полупроводниковых приборов и оптимальное сочетание их параметров с режимами преобразователя при его проектировании, использование эффективных методов исследования преобразователей способствуют разработке преобразовательных устройств с высокими технико-экономическими показателями.
Количественный рост различных радиоэлектронных устройств и устройств электропривод, все более широко применяющегося в различных отраслях народного хозяйства, связан с увеличением потребляемой суммарной мощности источников электропитания. Разработка и создание рациональных источников электропитания становится актуальной проблемой.
Рассмотрение начинается с электрических машин, трансформаторов и выпрямителей так как они широко применяются в аппаратуре предприятий связи, а также они получили наибольшее применение в автоматизированном электроприводе.
Целью данного курсового проекта является расчет и проектирование полупроводникового преобразователя электрической энергии, а именно – однофазного нулевого неуправляемого выпрямителя работающего на активно – индуктивную нагрузку и последовательно включенный ШИП, а также проектирование принципиальной схемы управления данным ППЭЭ основанной на цифровых микросхемах транзисторно-транзисторной логики: типы микросхем – К155АГ3 и К140УД7.
Выбор схемы ППЭЭ
Но прежде чем начать выбор СПП по току и напряжению необходимо выбрать схему для данного типа выпрямителя и нарисовать его временные диаграммы при активно-индуктивной нагрузке и последовательно – подключенным ШИП.
Согласно заданию нам дана схема ППЭЭ – однофазный нулевой неуправляемый выпрямитель – последовательный ШИП, работающий на активно-индуктивную нагрузку, где: Rн=10 Ом, Lн=3 мГн, Uн=160 В, Ta=25, fшип = 2 кГн.
Выпрямитель – это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к входным зажимам выпрямителя иногда подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включен и на стороне переменного тока выпрямителя).
В зависимости от числа фаз напряжения питания различают однофазные и трехфазные выпрямители. В нашем случае выпрямитель имеет одну фазу питания – однофазный, а также он является неуправляемым, т.е. выпрямитель построен на неуправляемых вентилях (диодах). Выпрямитель работает на активно-индуктивную нагрузку. Существенным признаком в классификации является структура связей вторичной обмотки преобразовательного трансформатора и выпрямительной схемы. Различают нулевые и мостовые схемы выпрямителей.
В нулевых схемах нагрузка включается между выведенной нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора и общей катодной или анодной точкой электронных приборов выпрямительной схемы. Нулевые схемы иначе называют однотактными, так как в течении одного периода по вторичным обмоткам ток протекает только один полупериод.
Также в силовых преобразователях электрической энергии широко применяются широтно-импульсные преобразователи (ШИП) посредством которых изменяется величина напряжения потребителя. С помощью ШИП источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе ШИП формируются импульсы напряжения.
Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить путем изменения параметров выходных импульсов tи и Т, где tи– длительность выходных импульсов; Т – период следования выходных импульсов. В нашем случае tи=var, Т= const.
ШИП постоянного напряжения преобразовывают постоянное напряжение в импульсное, среднее значение которого можно регулировать.
Нереверсивные ШИП преобразуют плавно изменяющееся входное напряжение в импульсное постоянной амплитуды и полярности, но различной длительности.
ШИП является последовательным, если управляемый вентиль и дроссель фильтра включены последовательно с нагрузкой. Характерной особенностью последовательных ШИП является невозможность получения напряжения на выходе выше напряжения источника питания.
Таким образом в связи с вышеизложенным можно получить следующую схему ППЭЭ (рисунок 1):
Рисунок 1 – Схема однофазного нулевого неуправляемого выпрямителя работающего на RL-нагрузку, последовательный ШИП
Необходимым элементом выпрямителя является силовой трансформатор Т с двумя вторичными обмотками и , связанными с первичной обмоткой коэффициентом трансформации и . Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно общей (нулевой) точки сдвинуты по фазе на 1800. Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам диодов VD1 и VD2. Выходное напряжение Ud снимается между нулевой точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих диодов.
Временные диаграммы работы схемы выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке
Выпрямители однофазного тока применяют для питания выпрямленным током различных систем и устройств промышленной и транспортной информационной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки и отображения информации. Такие выпрямители рассчитаны на небольшие мощности (до нескольких сот ватт). В тяговом электроприводе на электроподвижном составе (электровозах и моторных вагонах электропоездов), получающим питание от контактной сети однофазного тока, применяются мощные однофазные выпрямители от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт. Такие выпрямители должны обладать характеристиками, обеспечивающими экономичное использование энергии. Важно правильно выбрать схему выпрямления, полупроводниковые приборы, сглаживающий фильтр.
Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения U2( однополярных полуволн напряжения Ud() (рисунок 2, в). Напряжение Ud() характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая Ud определяет среднее значение выпрямленного напряжения.
Процессы в схеме выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке (рисунок 1) рассмотрим с помощью временных диаграмм (рисунок 2, а – з).
Здесь режим работы диодов определяется напряжениями U21 и U22вторичных обмоток трансформатора Т (рисунок 2, б). При поступлении полуволны напряжения Uн положительной полярности на вторичных обмотках трансформатора действуют напряжения U21 и U22. Диоды VD1 и VD2 проводят ток поочередно, когда потенциал их анода положителен относительно средней (нулевой) точки вторичной обмотки трансформатора Т. Ток idзамыкается через нагрузку Rн в течении обоих полупериодов, а вторичные обмотки проводят ток i21 и i22поочередно в течении одного полупериода. Диод VD1 открыт на интервалах и при положительной полуволне напряжения U21, а диод VD2 – на интервале при положительной полуволне напряжения U22. Кривая напряжения Ud (рисунок 2, в) образуется напряжением U2 – эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора и будет иметь тот же вид, что и при активной нагрузке. Отличие будет заключаться в том, что вследствие влияния индуктивности ток в цепи нагрузки id получается сглаженным (рисунок 2, г). Под действием индуктивности ток id не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения Ud. Поскольку ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения, максимумы тока id следуют с некоторой задержкой времени относительно максимумов напряжения Ud.
Форма кривых тока и напряжения в нагрузке Rн одинакова. Поэтому кривая Udн на рисунке 2, в будет иметь тот же вид, что и кривая id на рисунке 2, г. Если активное сопротивление обмотки дросселя принять равным нулю, то среднее значение напряжения на нагрузке Udн будет равно среднему значению напряжения Udна выходе выпрямителя (рисунок 2, в). При увеличении индуктивности Lн ее сглаживающее действие повышается и пульсации в кривой Udн уменьшаются. В предположении Lн переменная составляющая Ud будет полностью приложена к дросселю Lн, а на нагрузке будет действовать только постоянная составляющая Ud.
Изменение формы кривой id по сравнению со случаем чисто активной нагрузки приводит к изменению вида кривых токов выпрямителя i21 и i22, а также i1.
Поскольку переключение диодов осуществляется при изменении полярности напряжений U21 и U22в моменты времени и т.д., ток i21 (рисунок 2, д) будет определяться током id на интервалах , проводимости диода VD1, а ток i22 (рисунок 2, е) – током id на интервале проводимости диода VD2. Форма кривых токов i21, i22 близка к прямоугольной. Их амплитуда равна , а среднее значение . Отличие от прямоугольной формы становится менее заметным с увеличением Lн.
Аналогично анодным токам (токам вторичных обмоток трансформатора) претерпевает изменение и первичный ток i1. Его кривая приближается к двуполярной кривой прямоугольной формы с амплитудой , где КТ – коэффициент трансформации (рисунок 2, ж). Кривая обратного напряжения на диоде (рисунок 2, з) при активно-индуктивной нагрузке определяется суммарным напряжением двух вторичных обмоток силового трансформатора – Ubmax = 2U2.
Как видно из рисунка 2, в кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую, которая определяется разностью напряжений Ud() – Ud. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающего LC-фильтра (смотри рисунок 1).
Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивление переменному току и наоборот – для постоянного тока. Указанные свойства этих элементов используют при построении простейших сглаживающих фильтров: сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор – параллельно ей. Lф – фильтр выполненный на основе дросселя и Cф – на основе конденсатора. Путем надлежащего выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций.
Наличие сглаживающего LC-фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя.
Сглаживающая способность фильтра повышается с увеличением числа фаз выпрямления, а также с увеличением индуктивности L и уменьшением сопротивления нагрузки Rн. Сопротивление Rн уменьшается с увеличением мощности нагрузки. В связи с этим использование простейшего индуктивного фильтра эффективно в выпрямителях средней и большой мощности, где он и нашел преимущественное применение.
Рисунок 2, а – з – Временные диаграммы работы схемы при активно-индуктивной нагрузке
В маломощных выпрямителях применение простейшего индуктивного фильтра менее эффективно, поскольку сопротивление Rн здесь относительно велико. Для получения необходимого коэффициента сглаживания пришлось бы с целью выполнения условия значительно завышать индуктивность сглаживающего дросселя.
Поэтому в выпрямителях небольшой мощности задачу решают не увеличением L, а уменьшением сопротивления цепи нагрузки переменному току путем включения параллельно нагрузке конденсатора фильтра, т.е. использованием Г-образного LC-фильтра (рисунок 3, а). Включением конденсатора можно создать самостоятельную цепь протекания переменной составляющей тока, обусловленную переменной составляющей напряжения Ud, минуя цепь нагрузки. Поскольку сопротивление конденсатора переменному току мало, падение напряжения на конденсаторе от переменной составляющей тока также мало, чем достигается уменьшение пульсаций напряжения Udн. Иными словами, с помощью конденсатора более эффективно осуществляется разделение переменной и постоянной составляющих в выходной цепи выпрямителя: задержание дросселем переменной составляющей напряжения Ud и пропусканием им постоянной составляющей в нагрузку. Это явление наглядно иллюстрируют временные диаграммы (рисунок 3, б – г), построенные в предположении L и С.
Рисунок 3, а) – схема Г-образного LC-фильтра
Рисунок 3, б – г: б) – г) – временные диаграммы, иллюстрирующие принцип сглаживания выходного напряжения выпрямителя
Временные диаграммы работы последовательно-включенного шип на активно-индуктивную нагрузку
Рисунок 4 – Временные диаграммы работы ШИП
Основные расчетные соотношения
Основные расчетные соотношения можно определить воспользовавшись временными диаграммами схемы данного выпрямителя. Поскольку при расчете схемы исходными являются среднее значение выходного напряжения Ud (тока Id) и сопротивление нагрузки , а также действующее значение напряжения питающей сети Uн, связи между напряжениями и токами находим относительно исходных величин. Расчет производим, полагая равными нулю падения напряжений на диодах, в обмотках трансформатора, соединительных и подводящих проводах.
Связь между действующим значением вторичного напряжения U2 трансформатора со средним значением выпрямленного напряжения Ud находим из кривой рисунок 2, в, определяя напряжение Ud как среднее за полупериод значение напряжения U2:
, где , (1)
коэффициент схемы выпрямителя.
Поскольку величина Ud при расчете выпрямителя является заданной, то находим вторичное напряжение:
, (2)
а также коэффициент трансформации трансформатора:
. (3)
Как видно из рисунка 2, в, выпрямленное напряжение пульсирует. Его мгновенные значения Ud изменяются в течении полупериода от максимального значения, равного , до нуля.
Разложение в ряд Фурье кривой Ud позволяет определить амплитуду высших гармоник:
, (4)
где n – номер гармоники, а m – эквивалентное число фаз выпрямления (для данной схемы m=2).
Исходя из выражения (4) можно получить напряжение на нагрузке с учетом гармоник:
. (5)
Ток на нагрузке с учетом гармоник будет определяться по выражению:
, (5.1)
где RH=10 Ом, ХL – индуктивное сопротивление, ХL=nLH, n – номер гармоники, Lн=3 мГн.
Для оценки качества выпрямленного напряжения пользуются так называемым коэффициентом пульсации qn, характеризующим отношение амплитуды n-й гармоники к среднему значению напряжения Ud. Коэффициент пульсации обычно определяют по амплитуде первой (основной) гармоники (n=1), как наибольшей из всех остальных и наиболее трудно поддающейся фильтрации:
. (6)
Для рассматриваемой схемы частота первой гармоники пульсации и при частоте питающей сети составляет 100 Гц.
Подстановкой в выражение (6) m=2 определяем коэффициент пульсации по первой гармонике:
(7)
т.е. амплитуда первой гармоники для данной схемы составляет 67% от Ud.
При определении типа диодов необходимо знать среднее значение тока , протекающего через каждый из диодов, и прикладываемое к ним максимальное обратное напряжение Ubmax.
Поскольку ток id протекает через диоды поочередно (рис. 2, д, е), средний ток через каждый диод составит:
. (8)
Кривая обратного напряжения на диоде (рисунок 2, з) при активно-индуктивной нагрузке определяется суммарным напряжением двух вторичных обмоток силового трансформатора – Ubmax = 2U2. (9)
Для расчета силового трансформатора помимо напряжений Uн и U2 необходимо знать действующее значение токов I2 и I1, протекающих через его обмотки. Приняв при активно-индуктивной нагрузке кривые токов i21, i22 и первичный ток i1 прямоугольной формы, запишем выражения для их действующих значений:
(10)
(11)
Расчетные мощности обмоток трансформатора S1и S2 находят по произведениям действующих значений токов и напряжений обмоток, а типовую мощность – как среднее арифметическое мощностей S1и S2:
(12)
Коэффициент использования трансформатора:
(13)
Значение напряжения на нагрузке ШИП:
(14)
где Е – среднее значение напряжения на нагрузке ШИП;
– скважность импульсов, для последовательного ШИП
t0 – время открытого состояния ключа ШИП;
Tk – период коммутации,
Расчет гармоник
Определение гармоник будем производить исходя из формулы (5):
,
где n – номер гармоники, а m – эквивалентное число фаз выпрямления (для данной схемы m=2), Uн=160 В-действующее значение напряжения питающей сети.
Соответственно ток на нагрузке с учетом гармоник будет определяться по формуле (5.1):
.
Так как выпрямленное напряжение симметрично относительно оси ординат, то при разложении в ряд Фурье будут отсутствовать все четные гармоники. А из-за отсутствия пути для замыкания системы обратной последовательности будут отсутствовать все гармоники кратные трем.
Для данной схемы выпрямителя будем учитывать нечетные номера гармоник, т.е. n=1,5,7,11, …, RH=10 Ом, ХL=nLH, n – номер гармоники, Lн=3 мГн, Uн=160 В. Процентное соотношение напряжений определим составив пропорцию:
.
Производим расчет гармоник:
1) – напряжение на нагрузке с учетом первой гармоники.
ХL= – индуктивное напряжение с учетом первой гармоники.
– ток на нагрузке с учетом первой гармоники.
.
5) – напряжение на нагрузке с учетом пятой гармоники.
ХL= – индуктивное напряжение с учетом пятой гармоники.
– ток на нагрузке с учетом пятой гармоники.
.
7) – напряжение на нагрузке с учетом седьмой гармоники.
ХL= – индуктивное напряжение с учетом седьмой гармоники.
– ток на нагрузке с учетом седьмой гармоники.
.
11) – напряжение на нагрузке с учетом одиннадцатой гармоники.
ХL= – индуктивное напряжение с учетом одиннадцатой гармоники.
– ток на нагрузке с учетом одиннадцатой гармоники.
.
Значения напряжений и токов более высоких гармоник незначительны, поэтому не принимаем их учет.
– действующее значение тока.
Актуальность темы
Солнечная энергетика является относительно новым способом производства электроэнергии. Бурное развитие отрасли началось в середине 2000-х годов и было вызвано, главным образом, политикой развитых стран (в первую очередь, стран Евросоюза) по снижению зависимости от углеводородного сырья в электроэнергетике и стремлением достичь целей по сокращению выбросов парниковых газов.
В настоящее время фотоэлектрические преобразователи энергии становятся все более популярными для электроснабжения различных объектов. За последние 10 лет объемы инсталляций фотоэлектрических модулей серьезно выросли, что на определенном этапе привело к дефициту кристаллического кремния (основного материала фото энергетики) и к появлению альтернативных технологий производства фотоэлектрических преобразователей [3].
Цель и задачи исследования, планируемые результаты
Основной целью работы является анализ и применение фотоэлектрических преобразователей в энергоснабжении, их особенностей и недостатков, методов повышения их эффективности, оценки работоспособности и возможности применения в энергорынке.
Основные задачи исследования:
- Анализ состояния проблем и современных путей их решения.
- Анализ методов повышения эффективности фотоэлектриче-ских преобразователей.
- Расчетный эксперимент.
Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП)
Отдельный фотоэлектрический преобразователь – это полупровод-никовый прибор, который преобразовывает энергию фотонов в электрическую энергию. Преобразование энергии света в электричество происходит на уровне атомного строения тела. Кремний является наиболее распространенным материалом для изготовления ФЭП.
Солнечная батарея вырабатывает электроэнергию при попадании на её поверхность солнечного света, это значит, что в ночное время суток солнечная панель не генерирует электричество. Но, как правило, нам необходима электроэнергия круглые сутки, поэтому в систему солнечных панелей вводиться блок аккумуляторных батарей. По своему назначению он выполняет функцию, накапливание электроэнергии в момент ее излишка, и отдает в момент ее нехватки.
Показатели развития солнечной энергетики в мире
Мировые мощности солнечных станций состоят из фотоэлектрических (преобразование солнечной энергии непосредственно в электрическую) и тепловых солнечных станций (могут вырабатывать как тепло, так и электроэнергию)[5].
По данным BP, в 2021 году в мире установленная мощность солнечных фотоэлектрических станций составила 100,1 ГВт – это менее 2% суммарного показателя по всей электроэнергетике мира (данная доля увеличилась с 0,2% в 2007 году). Основной прирост мощностей фотоэлектрических станций произошел за последние 5 лет, когда их объем вырос в 10 раз (рис. 3).
Еще более низка роль фотоэлектрических станций в производстве электроэнергии, что, в первую очередь, вызвано их сравнительно низким коэффициентом (около 30%) использования мощностей по сравнению с другими видами электростанций (ТЭС, АЭС, ГЭС и др.). Так, по данным МЭА, в 2021 году в мире на солнечных электростанциях было произведено 61,2 млрд.
Основные мощности фотоэлектрических станций в мире расположены в небольшом количестве стран-лидеров: в 2021 году первые 7 стран обладали 80% суммарных мощностей.
Наибольшее развитие фотоэлектрическая отрасль получила в Европе, где расположено 68% мировых установленных мощностей. Единоличным лидером в регионе является Германия, на которую приходится около 33% мировых мощностей, за ней следуют Италия, Испания и Франция.
Из неевропейских стран в 2021 году в Китае, США и Японии располагались мощности солнечной энергетики по 7-10 ГВт. В последние годы особенно быстро развитие солнечной энергетики происходит в Китае, где суммарная мощность фотоэлектрических станций выросла в 10 раз за 2 года – с 0,8 ГВт в 2021 году до 8,3 ГВт в 2021 году.
По данным Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21)[6], в 2021 году мировые установленные мощности по солнеч-ной тепловой энергетике составляли 255 ГВт тепловой мощности (большая часть приходится на Китай). В структуре мощностей основную роль играют станции, нацеленные на обогрев воды и воздуха.
Солнечная энергетика в России находится на стадии становления. Первая фотоэлектрическая станция мощностью 100 кВт была введена в строй в 2021 году в Белгородской области. Поликристаллические солнечные панели для станции закупались на Рязанском заводе металлокерамических приборов.
Система электроснабжения с фотоэлектрическими преобразователями
Объектом разработок и исследований является система электроснабжения, содержащая модули фотоэлектрических преобразователей и полупроводниковые преобразовательные устройства.
В этой системе ячейки фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) соединяются последовательно между собой, образуя модули с повышенным выходным напряжением (напряжение модуля 12В или 24 В, в то время как напряжение элементарной ячейки составляет 0,6 В), к выходам каждого такого модуля подключается регулятор постоянного тока, затем выходы этих регуляторов соединяются между собой последовательно, образуя звено с напряжением 300 В [7].
Принцип действия фотоэлектрических преобразователей
Основные преимущества ФЭП:
- При работе нет выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду;
- Экономия ископаемого топлива;
- Отсутствие подвижных элементов, высокая эксплуатационная надежность установки, обеспечивают срок службы 20 и более лет;
- Пониженные эксплуатационные расходы;
- Модульный принцип системы (для увеличения мощности установки достаточно увеличить количество панелей) в соответствии с реальной потребностью пользователей.
Основные недостатки ФЭП:
- Высокая удельная стоимость конструкции;
- Производство энергии непостоянно из-за вращения Земли и погодных условий;
- Необходимость очистки поверхности фотоэлектрических преобразователей от пыли.
Фотоэлектрический элемент состоит из металлического основания, выполняющего роль положительного контакта, полупроводников p-типа и n-типа, образующих p-n-переход. На поверхности n-слоя расположена металлическая токосъемная контактная система.
На рисунке 5 изображен фотоэлектрический элемент и его энергетический баланс, показывающий значительный процент солнечного излучения, которое не преобразуется в электрическую энергию.
Процесс преобразования солнечного излучения в электричество, сопровождается следующими физическими процессами: 1 – разделение зарядов (возникновение избыточных электронов и дырок); 2 – рекомбинация; 3 – пропускание;4 – отражение и затенение поверхности лицевыми контактами.
Взаимодействие фотонов с материалом фотоэлектрического элемента (ФЭ), определяется известным выражением:
Eф = h × ν,
где h – постоянная Планка (6,63 × 10-34);
ν – частота электромагнитного излучения (солнечного света).
Согласно зонной теории, если энергия поглощенных фотонов превышает ширину зоны запрещенных энергий полупроводника (Eф>Eз.зоны,) происходит возникновение свободных фотоэлектронов и дырок (фотовольтаический эффект). Для различных полупроводников существует граничное значение частоты νмин, определяемой шириной запрещенной зоны, ниже которой разделения зарядов не происходит.
Поступающая на поверхность ФЭ солнечная энергия, расходуется следующим образом[8]:
- 3% – потери, связанные с отражением и затенением поверхности ФЭП лицевыми контактами;
- 23% – энергия, поступающая с фотонами с частотой излучения ниже, чем νмин и энергией недостаточной для освобождения электронов, выделяется в виде тепла и вызывают нагрев ФЭ;
- 74% – энергия фотонов с частотой выше чем νмин, т.е. способных вызывать фотоэффект. Эта энергия распределяется следующим образом:
- 13% – идет на генерацию полезной электрической энергии;
- 32% – фотоны, которые прошли сквозь элемент, но не приняли участия в разделении зарядов (пропускание);
- 8,5% – процесс рекомбинации свободных носителей заряда;
- 20% – расходуется на создание объемного электрического заряда в элементе, прежде всего в областях перехода;
- 0,5% – идет на покрытие электрических потерь на последова-тельном сопротивлении (потери проводимости).
Для уменьшения видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия[9]. К их числу относятся:
- Создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ши-рине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад;
- Использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещенной зоны;
- Оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и т.д.);
- Применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
- Текстурирование поверхности для уменьшения коэффициента отражения.
Каскадные фотоэлектрические преобразователи
Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, с энергией превышающей ширину запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии полезно не используются.
Один из путей преодоления этого ограничения – применение многослойных структур из двух и более солнечных элементов с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными или каскадными. Каскадные элементы могут достичь большей эффективности фотоэлектрического преобразования, поскольку используют значительно большую часть солнечного спектра[10].
В типичном каскадном солнечном элементе (см. рис. 6) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.
Современный опыт разработки трехкаскадных фотоэлементов позволяет надеяться на практическую реализацию повышенных значений кпд в четырех-, пяти-, а может быть, и в еще более многокаскадных структурах. Нет никаких научно-теоретических сомнений, что надежды оправдаются, если будут найдены подходящие материалы для промежуточных каскадов, и эти материалы будут иметь надлежащее качество.
Линзовые солнечные панели
Эффективное использование солнечной энергии в интересах широкого развития экологически чистой электроэнергетики возможно лишь в случае применения достаточно мощных солнечных фотоэлектрических установок, имеющих высокий КПД и относительно низкую стоимость.
Эти противоречивые требования могут быть успешно удовлетворены при создании установок с концентраторами солнечного излучения и высокоэффективными гетероструктурными фотопреобразователями на основе арсенида галлия. В качестве концентраторов при этом целесообразно использовать дешевые плоские линзы Френеля, объединенные в многоэлементные блоки, КПД которых может достигать 85-90%[11].
Оптимальная степень концентрации солнечного излучения в таких установках для наземных условий применения составляет 400-800. Это позволяет примерно в такое же количество раз уменьшить площадь полупроводниковых солнечных элементов (СЭ), необходимую для выработки заданной электрической мощности, по сравнению с плоскими солнечными батареями, преобразующими неконцентрированное солнечное излучение, и дает возможность использовать дорогие высокоэффективные СЭ на основе арсенида галлия без увеличения стоимости установки.
Концентрирование солнечного излучения позволяет, кроме того, повысить КПД гетероструктурных СЭ до 25% и более в однопереходных элементах и до 35% – в каскадных. При таких значениях КПД и непрерывном слежении за Солнцем, необходимом при использовании концентраторов, удельный энергосъем с единицы площади лучевоспринимающей поверхности установки будет в 2-3 раза выше по сравнению с неподвижными плоскими кремниевыми солнечными батареями(СБ).
Лукутин б.в., обухов с.г. силовые преобразователи в электроснабжении: учебное пособие
3
ВВЕДЕНИЕ
Электроэнергиявпромышленномпроизводствеиспользуетсяв
электроприводе, разнообразнымиэлектротехнологическимии
осветительнымиустановками. Соответственно, параметры
электроэнергии, необходимыедляееэффективногопримененияв
конкретныхслучаях, должныбытьразличны. Нередкочастота
переменногонапряжения, еговеличинатребуютизменения
непосредственновтечениетехнологическогопроцесса. Втоже
времяисточникиэлектроэнергии – энергосистемы, трансформаторные
подстанцииобеспечиваютпотребителейстандартной
электроэнергиейв
видетрехфазногопеременноготокачастотой 50 Гцирядом
стандартныхнапряженийот 0,4 до 220 кВ.
Следовательно, дляудовлетворениянуждпроизводствав
электроэнергииразныхвидовипараметров, атакжедляэффективного
управленияеераспределениемнеобходимыразличные
преобразовательныеустройства. Областьюприменения
преобразовательныхустройствявляютсяхимическиеиалюминиевые
предприятия, тяговыеподстанции, электрифицированный
железнодорожный
транспорт, регулируемыйэлектропривод, питание
различногородаподъемников, лифтов, подземногошахтного
оборудования, возбудителейсинхронныхмашинит. д. Среди
разнообразныхтребований, предъявляемыхкпреобразователям,
общимиявляютсяобеспечениевысокихКПДикоэффициента
мощности, атакжемаксимальнойнадежностииустойчивости.
Полупроводниковыепреобразователинаиболеекачественно
удовлетворяютперечисленнымтребованиям. Ониимеютмалые
габаритыивес, потребляют
оченьмалуюмощностьуправления,
обладаютвысокимбыстродействием, аихуниверсальностьпозволяет
создаватьсамыеразнообразныеустройства. Всеэтикачества
открываютширокиевозможностидляихприменения.
Силоваяэлектроникаявляетсязначительнымрезервомповышения
энергоэффективностисистемэлектроснабжения, посколькуосновой
большинстваметодовоптимизацииэнергопотребленияявляется
управлениепреобразованиемэлектроэнергиисетивэнергию
управленияобъектом.
Теоретическиеосновы
процессовпреобразованияэлектроэнергии
спомощьювентильныхустройствбылиразработанывначалетекущего
столетия. Ноширокоевнедрениевпрактикупреобразовательная
техникаполучилапослесозданияв 50-хгодахсиловых
полупроводниковыхприборов (СПП): диодовитиристоров. Вучебном
пособиирассмотреныхарактеристикиосновныхсиловых
§
14
естественной. Вдругихслучаях, когдатиристорнеобходимо
выключитьвпроизвольныймоментвремени, коммутацияназывается
искусственной. Искусственная (илипринудительная) коммутация
осуществляетсяспециальнымисхемами.
Кромеоднооперационных, существуютиполностьюуправляемые
двухоперационныетиристоры. Этиполупроводниковыевентили
отличаютсятем, чтоихможнозаперетьподачейимпульсатока
обратнойполярностивцепьуправляющегоэлектрода. Запирающийток
управлениязначительнобольшеотпирающего. Обычновеличина
коэффициентаусиленияпотокупризапираниинепревышает 4–5. По
своимпредельныммощностямзапираемыетиристорыприближаютсяк
однооперационнымвентилям, апочастотнымсвойствамдаже
превосходят.
Другим, полностьюуправляемым, полупроводниковымэлементом
являетсятранзистор. Особенностьютранзисторов, посравнениюс
тиристорами, являетсянеобходимостьналичиясигналауправленияв
течениевсеговремениегопроводящегосостояния.
Существуютразличныетипытранзисторов, основнымииз
которыхявляютсябиполярныеиполевые
. Биполярныетранзисторы
представляютсобойтрехслойныеполупроводниковыеструктуры
p-n-p–
или
n-p-n – типов. Полевыетранзисторыоснованынавозможности
управленияпроводимостьюполупроводниковойструктурыприборас
помощьюэлектрическогополя, прикладываемогокканалу
проводимостивпоперечномнаправлении.
Обычновустройствахсиловойэлектроникитранзисторы
используютсявключевомрежимеработы, обеспечиваемом
соответствующимуправлением.
Попредельныммощностнымхарактеристикамбиполярные
транзисторынаодин– двапорядкауступаюттиристорами
соответственно
превосходятихпочастотнымсвойствам. Полевые
транзисторыпомощностнымхарактеристикамзаметноуступают
биполярным, существеннопревосходяихпочастотномудиапазону.
Сравниваяпредельныемощностныехарактеристикиразличных
типовсиловыхполупроводниковыхприборов, отметимявные
преимуществасиловыхдиодовиоднооперационныхтиристоров.
Ориентируясьнаизучениепреобразователейэлектроэнергиивсистемах
электроснабженияпредприятий, электроэнергетическихсистемах, в
дальнейшемизложенииматериала
основноевниманиеуделяется
вентильнымустройствамнабазетиристоровидиодов.
Тепловыепотери, возникающиеприработеприборовв
электрическойцепи, должнырассеиватьсясистемойохлаждениятак,
§
27
микросекунд, чтопозволяетсоздаватькоммутирующиеустройствасо
временемвключениянеболее 0,001 с [2]. Времявыключениятиристора
сестественнойкоммутациейопределяетсявосновномчастотойсети
переменноготокаисоставляетвеличинупорядкаполовиныего
периода. Искусственнаякоммутацияпозволяетуменьшитьвремя
выключенияСПП. Такиепараметрыбыстродействиятиристоров
позволяютсоздаватькоммутационнуюаппаратуру, существенно
превосходящуюэлектромагнитныеконтакторы
, имеющиевремя
включенияпорядка 0,04 с, выключения – 0,02 с [2].
Косновнымнедостаткамбесконтактныхполупроводниковых
ключейотносятся: малаяперегрузочнаяспособностьихудшие
остаточныепараметрыпосравнениюсконтактнымиаппаратами
(сопротивлениявовключенномивыключенномсостояниях).
3. ТИРИСТОРНЫЕКОММУТИРУЮЩИЕИ
РЕГУЛИРУЮЩИЕУСТРОЙСТВАВСЕТЯХ
ПЕРЕМЕННОГОТОКА
3.1. Тиристорныекоммутаторы
Тиристорныекоммутаторыпозволяютустранитьнедостатки
контактнойаппаратуры, связанныесналичиеммеханической
контактнойсистемы. Высокоебыстродействиеполупроводниковых
приборовпозволяетпридатьтиристорнымпускозащитным,
регулирующимикоммутирующимустройствамновыесвойства,
недоступныеконтактнымаппаратам. Ктакимновымсвойствам
относитсяпреждевсеговозможностьрегулированиявыходных
электрическихпараметров, чтопозволяет, например, осуществлять
управлениедвигателями, включаябезударныйпуск
, реверс,
регулированиечастотывращенияпозаданномузакону, динамическое
торможениеидр. Крометого, высокоебыстродействиесобственноСПП
позволяетсоздаватькоммутирующиеаппараты, обеспечивающие
надежную, практическибезынерционнуюкоммутациюэлектрических
цепейсвысокойчастотой.
Дляиспользованиятиристоравкачествекоммутатора
необходимоснабдитьегооднойизсхемформированияуправляющего
сигнала, рассмотренныхвыше. Длякоммутатора
постоянноготокаили
приповышенныхтребованияхповременивыключенияустройствана
переменномтокенеобходимасхемаискусственнойкоммутации. В
тиристорныхключах, работающихвсетяхпеременноготока, чащевсего
используетсяестественнаякоммутациявентилей.
Классифицироватьтиристорныекоммутаторы, используемыев
цепяхпеременноготока, можнопоразличнымпризнакам. Прежде
Выводы
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов достигает 25%.
В лабораторных условиях летом 2021 года компания Sharp достигла КПД ФЭП в 44,4%, однако уже в сентябре немецкие ученые из Института солнечной энергии общества Фраунгофера и Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца заявили о создании самого эффективного фотоэлемента в мире, КПД которого составляет 44,7%[12].
В работе рассмотрены различные виды фотоэлектрических преобразователей, анализ их характеристик, а также методы повышения их эффективности.
